(57)【要約】【課題】撮像レンズの像側に配置される像回転機能を有する光学系において、光学性能が良好で、ケラレが少なく、撮影者が意図した画角や、Ｆナンバーを満たすことができ、コンパクト化することが可能となる光学系を提供する。【解決手段】撮像レンズの１次結像面より像側に入射光軸と射出光軸とが共軸となるイメージローテータを有する光学系において、前記撮像レンズと前記１次結像面との間に負のパワーを有する第１群と、前記１次結像面と前記イメージローテータとの間に正のパワーを有する第２群と、前記イメージローテータより像側に正のパワーを有する第３群と、を備えた構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像レンズの１次結像面より像側に、入射光軸と射出光軸とが共軸となるイメージローテータを有する光学系において、
前記撮像レンズと前記１次結像面との間に負のパワーを有する第１群と、
前記１次結像面と前記イメージローテータとの間に正のパワーを有する第２群と、
前記イメージローテータより像側に正のパワーを有する第３群と、を備えていることを特徴とする像回転機能を有する光学系。
【請求項２】
前記像回転機能を有する光学系の第１群のパワーをφａ、第２群のパワーをφｂ、前記像回転機能を有する光学系の全系の結像倍率をβｒとするとき、つぎの条件式（１）及び（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の像回転機能を有する光学系。
2005265878.tif 000011
【請求項３】
撮像レンズの像側に、入射光軸と射出光軸とが共軸となるイメージローテータを有する光学系において、
前記撮像レンズと前記イメージローテータの間に負のパワーを有する第１群と、
前記イメージローテータより像側に正のパワーを有する第２群と、を備えていることを特徴とする像回転機能を有する光学系。
【請求項４】
前記像回転機能を有する光学系の第１群のパワーをφｃ、第２群のパワーをφｄ、前記像回転機能を有する光学系の全系の結像倍率をβｓとするとき、つぎの条件式（３）及び（４）を満足することを特徴とする請求項３に記載の像回転機能を有する光学系。
2005265878.tif 000012
【請求項５】
前記イメージローテータは、ミラー反射面で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の像回転機能を有する光学系。
【請求項６】
前記光学系は、撮像レンズと撮像カメラとの間に装着可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の像回転機能を有する光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、像回転機能を有する光学系に関し、特にフィルムカメラや、テレビカメラ、ビデオカメラなどの撮像レンズの像側に装着される像回転機能を有する光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
撮像、観察光学系において像を回転させる手段としては、光学系の光路中にイメージローテータを配置する手法が知られている。このイメージローテータは奇数個の反射面を有し、入射光軸と射出光軸が共軸となるように構成され、撮像光学系の光軸を回転軸として回転させると、像はその２倍の角度で回転するものである。
このようなイメージローテータの概念図を図２０に示す。これらのイメージローテータが観察光学系に配置された従来例として、例えば特許文献１のように、観察光学系内にイメージローテータプリズムが配置され、回動ミラーの回動に伴う像の回転を補正するためにイメージローテータプリズムが使用されるものが挙げられる。
また、撮像光学系としては、特許文献２のように、撮像レンズの像側にイメージローテータを有するリレー光学系が配置され、撮像レンズの１次結像に回転を与えて、再度結像させるように構成したものが挙げられる。
【特許文献１】特開２００２−１４２８３号公報
【特許文献２】特開昭５０−３４５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のようなイメージローテータを用いる場合、その撮影の特殊効果として、像をリアルタイムに回転させたいという要望がある。しかしながら、撮像レンズは広角から望遠、ズームレンズ等、撮影用途によって異なることから、上記要望に対しては、上記特許文献１のように観察光学系にイメージローテータを内挿するために、特殊なレンズを用意するよりは、既存のレンズにアダプターとて像回転機能を有する光学系を装着する方が、汎用性が高く有利である。
【０００４】
また、撮像光学系において像回転用の光学系の配置個所としては、撮像レンズの視野角、ズーミングによる視野角の変化に影響されないためには、上記特許文献２のように、メージローテータを撮像レンズの像側に配置することが好ましい。その際、像の光学性能の劣化が少ないこと、撮影者が意図した画角、Ｆナンバーが得られること、周辺光量が確保されていることなどが実用上好ましい。また、装置全体がコンパクトであることも実用上重要である。
ところで、上記特許文献２においては、撮像レンズの１次結像面にフィールドレンズを配置し、そのパワーを適切にコントロールし、リレーレンズの瞳位置をイメージローテータプリズム中心近傍にすることによりイメージローテータプリズムの小型化を実現している。しかしながら、このような構成では、強い発散性を持った軸上、軸外マージナル光線がイメージローテータプリズムに入射した場合、イメージローテータ内の光路途中でケラレてしまうという問題が生じる。また、ケラレを防ぐためには、プリズムを大型化する必要があり、コンパクト化に不利である。
また、上記特許文献２においては、イメージローテータをプリズムで構成しているため、イメージローテータ内にて諸収差が発生し、光学性能が劣化するという問題が生じる。またこれを補正しようとすると、収差補正のためにレンズ枚数を多く必要とし、コンパクト化に不利となる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて、撮像レンズの像側に配置される像回転機能を有する光学系において、光学性能が良好で、ケラレが少なく、撮影者が意図した画角や、Ｆナンバーを満たすことができ、コンパクト化することが可能となる光学系を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のように構成した像回転機能を有する光学系を提供するものである。
すなわち、本発明の像回転機能を有する光学系は、撮像レンズの１次結像面より像側に、入射光軸と射出光軸とが共軸となるイメージローテータを有する光学系において、前記撮像レンズと前記１次結像面との間に負のパワーを有する第１群と、前記１次結像面と前記イメージローテータとの間に正のパワーを有する第２群と、前記イメージローテータより像側に正のパワーを有する第３群と、を備えた構成とされている。ここで、前記像回転機能を有する光学系の第１群のパワーをφａ、第２群のパワーをφｂ、前記像回転機能を有する光学系の全系の結像倍率をβｒとするとき、つぎの条件式（１）及び（２）を満足するように構成することが望ましい。
2005265878.tif 000003
【０００７】
また、本発明の像回転機能を有する光学系は、撮像レンズの像側に、入射光軸と射出光軸とが共軸となるイメージローテータを有する光学系において、前記撮像レンズと前記イメージローテータの間に負のパワーを有する第１群と、前記イメージローテータより像側に正のパワーを有する第２群と、を備えた構成とされている。ここで、前記像回転機能を有する光学系の第１群のパワーをφｃ、第２群のパワーをφｄ、前記像回転機能を有する光学系の全系の結像倍率をβｓとするとき、つぎの条件式（３）及び（４）を満足するように構成することが望ましい。
2005265878.tif 000004
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、撮像レンズの像側に配置される像回転機能を有する光学系において、光学性能が良好で、ケラレが少なく、撮影者が意図した画角や、Ｆナンバーを満たすことができ、コンパクト化することが可能となる光学系を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
［実施形態１］
本発明の実施形態１における光学系は、像回転機能を有する光学系において撮像レンズによる１次結像をリレーし、再結像させる光学系を適切なパワー配置に規定したものである。これにより像回転機能を有する光学系をコンパクト化し、且つケラレが少なく、光学性能が良好な光学系の実現を可能としたものである。図１に、本実施形態の光学系における全体の概念図を示す。但し、説明を容易にするためイメージローテータは光路展開している。
図１において、ａは負のパワーを有する第１のレンズ群であり、撮像レンズの１次結像面の手前に配置されている。ｂは正のパワーを有する第２のレンズ群であり、撮像レンズとイメージローテータとの間に配置されている。ｒは第３のレンズ群であり、イメージローテータと再結像面との間に配置されている。
【００１０】
一般に口径比の大きい撮像レンズでは、１次結像後の軸上、軸外マージナル光線の発散性が大きく、全光束を包括して伝播するためには装置全体が大型化してしまう。この問題を解決するために、図１に示すように、負のパワーを有する第１のレンズ群ａを撮像レンズの１次結像面の手前に配置し、軸上、軸外マージナル光束の発散性を防いでいる。
また、前記像回転機能を有する光学系は、全体として正のパワーを有するため、収束面のパワーが強くなり、つぎのペッツバール和の式（５）よりペッツバール和が正となる。
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【００１１】
但し、
Ｐｓｕｍ：ペッツバール和
ｒ：曲率半径
ｎ：媒質入射前の屈折率
ｎ’：媒質の屈折率
ペッツバール和が正に増加すると、負の像面湾曲、非点収差が発生し、光学性能の劣化を招く。ここで、負のパワーを有する第１のレンズ群ａを結像面近傍に配置することにより、負のパワーを強めることができ、ペッツバール和の値を小さくすることができる。
一方、正のパワーを有する第２のレンズ群ｂは１次結像面とイメージローテータの間に配置され、軸上マージナル光線の発散性を更に抑制するとともに、前記第１のレンズ群ａにより発散された軸外主光線の高さを抑制している。ｒはイメージローテータを射出後、再度結像させるための正レンズ群である。
【００１２】
前述した条件式（１）は、前記負のパワーを有する第１のレンズ群ａのパワーφａ、前記正のパワーを有する第２のレンズ群ｂのパワーφｂの適正値を規定するものである。
この条件式（１）の下限値を超えると、軸上、軸外マージナル光線の発散性は抑制できるが、軸外主光線が発散し、イメージローテータに入射する軸外光線の高さが高くなり、軸外光束を包括するためにイメージローテータは大型化してしまう。
また条件式（１）の上限値を超えると、軸上マージナル光束の発散性を抑制できず、軸上マージナル光束を包括するためには、イメージローテータが大型化してしまう。さらに負レンズ群のパワーが小さくなるため、ペッツバール和の補正不足となり、非点収差や像面湾曲が負に発生し光学性能が劣化してしまう。
【００１３】
また、前述した条件式（２）は、前記像回転機能を有する光学系の適正な結像倍率の限定条件を示している。符号がマイナスであるのは、撮像レンズにより１次結像した像を再度結像させていることを示唆している。１次結像型のリアコンバーターにおいて、結像倍率を−０．９より大きくすると、撮像レンズの有効径に規制されて有効画面寸法が著しく低下し、ケラレが発生するので好ましくない。
一方、条件式（２）の下限値を超えるようなテレコンバージョンを行うと、エクステンダーと同じ作用をするので、望遠側において、軸上色収差や球面収差が甚大に発生し補正が困難となるため好ましくない。
【００１４】
［実施形態２］
本発明の実施形態２における光学系は、結像倍率が正、即ち１次結像をせずにリレーする光学系を適切なパワー配置に規定したものである。これにより光学系をコンパクト化し、且つケラレが少なく、光学性能が良好な光学系の実現を可能としたものである。
図２に、本実施形態の光学系における全体の概念図を示す。但し、図１と同様イメージローテータは光路展開している。
図２において、ｃは負のパワーを有する第１のレンズ群であり、撮像レンズとイメージローテータの間に配置されている。ｄは正のパワーを有する第２のレンズ群であり、イメージローテータと結像面との間に配置されている。
明るい撮像レンズの後方に１次結像なしで像回転機能を有する光学系を装着する場合、イメージローテータの光路長は撮像レンズのバックフォーカスに比べてはるかに長いため、撮像レンズのバックフォーカスの空間内にイメージローテータのみを配置することは物理的に不可能である。したがって、撮像レンズとイメージローテータの間に負のパワーを有する第１のレンズ群ｃを配置し、軸上マージナル光束の収斂性を抑えてバックフォーカスを長くする必要がある。そして、イメージローテータと結像面との間に正のパワーを有する第２のレンズ群ｄを配置して結像倍率、バックフォーカスをコントロールしている。
【００１５】
前述した条件式（３）は、前記負のパワーを有する第１のレンズ群ｃのパワーφｃ、前記正のパワーを有する第２のレンズ群ｄのパワーφｄの適正値を規定するものである。
この条件式（３）の下限値を超えると、前記負のパワーを有する第１のレンズ群ｃのパワーが強くなり、軸外主光線が大きく発散してしまう。これによりイメージローテータ内で軸外光束を包括するためには装置が大型化してしまう。また、軸外主光線が発散することにより射出瞳距離が短くなり、特に色分解光学系を有するテレビカメラ等ではホワイトシェーディングが発生してしまう。
条件式（３）の上限を超えると、前記負のパワーを有する第１のレンズ群ｃのパワーが弱くなり、バックフォーカスが短くなるためイメージローテータが配置可能となるような光路長を確保することが困難となる。
【００１６】
前述した条件式（４）は、前記像回転機能を有する光学系の適正な結像倍率の限定条件を示している。また符号が正であるのは、撮像レンズにより１次結像した像を再度結像させていることを示唆している。
図２より、撮像レンズのバックフォーカスと、像回転機能を有する光学系のバックフォーカスを比較すると、像回転機能を有する光学系のバックフォーカスは、撮像レンズの間隔に比して、撮像レンズと負レンズ群ｃの主点間隔分だけ不足する。この条件式（４）の下限値を超えると必要なバックフォーカスを確保できない、あるいはバックフォーカスを確保するために前記負レンズ群ｃのパワーを増やさなければならず、軸外主光線が発散し、軸外光束を包括するためにはイメージローテータが大型化してしまう。
また、条件式（４）の上限値を超えるようなテレコンバージョンを行うと、望遠側において軸上色収差や球面収差が甚大に発生し補正が困難となる。
【００１７】
［実施形態３］
本発明の実施形態３における光学系は、イメージローテータをミラー反射面で構成したものである。像回転光学系を有する光学系の光学性能を良好にすることが可能となる。
つぎに、これを更に説明する。イメージローテータを屈折率Ｎｉｒのプリズムで構成すると仮定する。イメージローテータの光路長をｄとして光路展開すると、屈折率がＮｉｒで厚さがｄの平行平板と等価となる。一般に平行平板の挿入により、その厚さｄに依存して諸収差の発生量が大きくなるが、軸上色収差に着目すると、イメージローテータを装着することにより、撮像レンズの像点が、次式（６）のように変化する。
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【００１８】
但し、
Ｐ：撮像レンズの像点
Ｐ’：イメージローテータ挿入後の像点
上記（６）式より、イメージローテータプリズムの分散効果により波長による屈折率変化が発生し、軸上色収差が発生することは明らかである。一般にイメージローテータ内の光路長は、入射する光束径の３倍以上長いため、上記（６）式より軸上色収差が甚大に発生する。イメージローテータをミラーにて構成した場合、上記（６）式において、Ｎｉｒ＝１であるため、軸上色収差は発生しないことは明らかである。またイメージローテータ入射、射出境界面において光線の屈折がないため、他の収差も発生しない。
以上より、イメージローテータをミラーで構成することで光学性能の劣化を防ぐことができ、像回転機能を有する光学系を装着しても高い性能を維持することができる。
【００１９】
［実施形態４］
本発明の実施形態４においては、本発明に適用可能な撮像レンズの構成例について説明する。
図３に、本実施形態ににおける撮像レンズの断面図を示す。
図３において、Ｆは第１群としての正の屈折力の前玉レンズ群である。Ｖは第２群としての変倍用の負の屈折力のバリエ−タであり、光軸上を像面側へ単調に移動させることにより、広角端（ワイド）から望遠端（テレ）への変倍を行っている。Ｃは第３群としての負の屈折力のコンペンセ−タであり、変倍に伴う像面変動を補正するために光軸上を物体側へ凸の軌跡を有して非直線的に移動している。バリエ−タＶとコンペンセ−タＣとで変倍系を構成している。
【００２０】
ＳＰは絞り、Ｒは第４群としての正の屈折力の変倍中固定のリレ−群である。Ｐは色分解プリズムや光学フィルタ−等であり、同図ではガラスブロックとして示している。本実施例における撮像レンズは４群構成のズームレンズであるが、例えば２群構成のズームレンズであったり、単焦点レンズであってもよい。
本実施形態ににおける撮像レンズの数値実施例を以下に示す。
［実施形態４における撮像レンズの数値実施例］
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【実施例】
【００２１】
つぎに、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図４は、本発明の実施例１における撮像レンズに像回転機構を有する光学系装着時の光路図である。
図４において負のパワーを有するレンズ群ａが撮像レンズと一次結像面の間に配置されている。正のパワーを有するレンズ群ｂが１次結像後に配置され、その後にミラー反射面で構成されたイメージローテータＩＲが配置されている。本実施例においては、入射光軸と射出光軸が共軸となるための最小枚数である３枚のミラーで構成されているが、３枚以上の奇数面で構成されていてもよい。ｒは結像用レンズであり、撮像レンズよりリレーした像を再結像させる働きを持つ。前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。ただし撮像レンズと像回転機能を有する光学系との間隔はそれぞれ、４．４８、５．８３、４．２１である。以下に、本実施例における数値実施例１を示す。
図８は数値実施例１のｆ＝８．０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図、図９は数値実施例１のｆ＝４８ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図、図１０は数値実施例１のｆ＝１６０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図である。
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【００２２】
［実施例２］
図５は、本発明の実施例２における撮像レンズに像回転機構を有する光学系装着時の光路図である。
図５において負のパワーを有するレンズ群ａが撮像レンズと一次結像面の間に配置されている。正のパワーを有するレンズ群ｂが１次結像後に配置され、その後にミラー反射面で構成されたイメージローテータＩＲが配置されている。本実施例においては、入射光軸と射出光軸が共軸となるための最小枚数である３枚のミラーで構成されているが、３枚以上の奇数面で構成されていてもよい。ｒは結像用レンズであり、撮像レンズよりリレーした像を再結像させる働きを持つ。前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。ただし撮像レンズと像回転機能を有する光学系との間隔はそれぞれ、４．４８、５．８３、４．２１である。以下に、本実施例における数値実施例２を示す。
図１１は数値実施例２のｆ＝８．０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図、図１２は数値実施例２のｆ＝４８ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図、図１３は数値実施例２のｆ＝１６０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図である。
［実施例３］
図６は、本発明の実施例３における撮像レンズに像回転機構を有する光学系装着時の光路図である。
図６において負のパワーを有するレンズ群ａが撮像レンズと一次結像面の間に配置されている。正のパワーを有するレンズ群ｂが１次結像後に配置され、その後にミラー反射面で構成されたイメージローテータＩＲが配置されている。本実施例においては、入射光軸と射出光軸が共軸となるための最小枚数である３枚のミラーで構成されているが、３枚以上の奇数面で構成されていてもよい。ｒは結像用レンズであり、撮像レンズよりリレーした像を再結像させる働きを持つ。前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。ただし撮像レンズと像回転機能を有する光学系との間隔はそれぞれ、４．４８、５．８３、４．２１である。以下に、本実施例における数値実施例３を示す。また、前述の各条件式と数値実施例４における諸数値との関係を表−１に示す。
図１４は数値実施例３のｆ＝２０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図、図１５は数値実施例３のｆ＝１２０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図、図１６は数値実施例３のｆ＝４００ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図である。
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【００２３】
［実施例４］
図７は本発明の実施例４における撮像レンズに像回転機構を有する光学系装着時の光路図である。
図７において、撮像レンズの後に負のパワーを有するレンズ群ｃが配置されており、その後にイメージローテータＩＲが配置されている。本実施例においては、入射光軸と射出光軸が共軸となるための最小枚数である３枚のミラーで構成されているが、３枚以上の奇数面で構成されていてもよい。そして正のパワーを有するレンズ群ｄが配置され、結像面に導いている。但し、撮像レンズと像回転機能を有する光学系との間隔は５．６７である。
以下に、本実施例における数値実施例４を示す。また、前述の各条件式と数値実施例４における諸数値との関係を表−２に示す。
図１７は数値実施例４のｆ＝１６ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図、図１８は数値実施例４のｆ＝９６ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図、図１９は数値実施例４のｆ＝３２０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図である。
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【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】１次結像ありの像回転機能を有する光学系を装着時の全光学系の概念図。
【図２】１次結像なしの像回転機能を有する光学系を装着時の全光学系の概念図。
【図３】撮像レンズの断面図。
【図４】本発明の実施例１における撮像レンズに像回転機構を有する光学系装着時の光路図。
【図５】本発明の実施例２における撮像レンズに像回転機構を有する光学系装着時の光路図。
【図６】本発明の実施例３における撮像レンズに像回転機構を有する光学系装着時の光路図。
【図７】本発明の実施例４における撮像レンズに像回転機構を有する光学系装着時の光路図。
【図８】数値実施例１のｆ＝８．０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図９】数値実施例１のｆ＝４８ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１０】数値実施例１のｆ＝１６０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１１】数値実施例２のｆ＝８．０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１２】数値実施例２のｆ＝４８ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１３】数値実施例２のｆ＝１６０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１４】数値実施例３のｆ＝２０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１５】数値実施例３のｆ＝１２０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１６】数値実施例３のｆ＝４００ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１７】数値実施例４のｆ＝１６ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１８】数値実施例４のｆ＝９６ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図１９】数値実施例４のｆ＝３２０ｍｍ、物体距離３．０ｍにおける縦収差図。
【図２０】イメージローテータ−の概念図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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